特許 7412222 セメントスラリーの吐出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-28

(45)【発行日】2024-01-12

(54)【発明の名称】セメントスラリーの吐出装置

(51)【国際特許分類】

   B28B 1/30 20060101AFI20240104BHJP

   B28B 13/02 20060101ALI20240104BHJP

   B28C 7/04 20060101ALI20240104BHJP

   C04B 22/14 20060101ALI20240104BHJP

   C04B 22/16 20060101ALI20240104BHJP

   C04B 24/24 20060101ALI20240104BHJP

   C04B 28/06 20060101ALI20240104BHJP

【ＦＩ】

B28B1/30

B28B13/02

B28C7/04

C04B22/14 B

C04B22/16 A

C04B24/24 Z

C04B28/06

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020034289

(22)【出願日】2020-02-28

(65)【公開番号】P2021133669

(43)【公開日】2021-09-13

【審査請求日】2023-01-23

(73)【特許権者】

【識別番号】521297587

【氏名又は名称】ＵＢＥ三菱セメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100145012

【弁理士】

【氏名又は名称】石坂 泰紀

(74)【代理人】

【識別番号】100169063

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 洋平

(72)【発明者】

【氏名】高橋 恵輔

(72)【発明者】

【氏名】関 崇宏

【審査官】永田 史泰

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１９－５３６７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５００２９７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２８Ｂ１／００－１／５４

Ｂ２８Ｂ１３／０２

Ｂ２８Ｃ７／０４－７／１２

Ｃ０４Ｂ７／００－３２／０２

Ｃ０４Ｂ４０／００－４０／０６

Ｃ０４Ｂ１０３／００－１１１／９４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水硬性を有するセメントスラリーの吐出装置であって、
装置本体部と、
前記装置本体部に対して着脱自在に設けられており、アルミナセメント、半水石膏、水及び無機酸を含むセメント含有液を収容する第一の容器と、
前記装置本体部に対して着脱自在に設けられており、イオン性エマルション型増粘剤を含むアルカリ溶液を収容する第二の容器と、
前記セメント含有液と前記アルカリ溶液とを混合して前記セメントスラリーを得る混合器と、
前記第一の容器内の前記セメント含有液を前記混合器に移送する第一の移送手段と、
前記第二の容器内の前記アルカリ溶液を前記混合器に移送する第二の移送手段と、
前記混合器からの前記セメントスラリーを吐出する吐出口と、
を備え、
前記アルミナセメントは、当該アルミナセメントの総質量を基準とするアルミナ含有量が４５質量％以上である、セメントスラリーの吐出装置。

【請求項2】

前記セメント含有液は、温度２０℃及びせん断速度１０ｓ^－１の条件で測定される粘度が１．０×１０^２～１．２×１０^５ｍＰａ・ｓである、請求項１に記載のセメントスラリーの吐出装置。

【請求項3】

前記セメント含有液は、温度２０℃及びせん断速度０．１ｓ^－１の条件で測定される粘度が１．０×１０^３～５．０×１０^６ｍＰａ・ｓである、請求項１又は２に記載のセメントスラリーの吐出装置。

【請求項4】

前記アルカリ溶液は、温度２０℃及びせん断速度１０ｓ^－１の条件で、２．０×１０^２～２．０×１０^４ｍＰａ・ｓである、請求項１～３のいずれか一項に記載のセメントスラリーの吐出装置。

【請求項5】

前記セメント含有液が骨材を更に含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のセメントスラリーの吐出装置。

【請求項6】

前記セメント含有液のモルタルフローが０打フローで１０５ｍｍ以上である、請求項５に記載のセメントスラリーの吐出装置。

【請求項7】

前記第一の容器の容量を１００体積部とすると、前記第二の容器の容量は１～４０体積部である、請求項１～６のいずれか一項に記載のセメントスラリーの吐出装置。

【請求項8】

前記第一の移送手段は、前記第一の容器から前記混合器に至る第一の流路と、前記第一の流路の途中に設けられた第一のポンプとを含み、
前記第二の移送手段は、前記第二の容器から前記混合器に至る第二の流路と、前記第二の流路の途中に設けられた第二のポンプとを含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のセメントスラリーの吐出装置。

【請求項9】

前記第一の容器の容量が１～１０００Ｌである、請求項８に記載のセメントスラリーの吐出装置。

【請求項10】

前記第一の移送手段は、前記第一の容器の内面に対して摺動する第一のピストンと、前記第一のピストンによって前記第一の容器から押し出された前記セメント含有液を前記混合器に移送する第一の流路とを含み、
前記第二の移送手段は、前記第二の容器の内面に対して摺動する第二のピストンと、前記第二のピストンによって前記第二の容器から押し出された前記アルカリ溶液を前記混合器に移送する第二の流路とを含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のセメントスラリーの吐出装置。

【請求項11】

前記第一の容器の容量が０．０１～１Ｌである、請求項１０に記載のセメントスラリーの吐出装置。

【請求項12】

前記吐出口を水平方向及び上下方向に移動させる駆動機構を更に備える、請求項１～１１のいずれか一項に記載のセメントスラリーの吐出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、セメントスラリーの吐出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、金属、樹脂、セメント等の造形材料を用いて立体造形物を製作する技術が注目されている。例えば、特許文献１には付加製造装置（３Ｄプリンタ）に適用されるセメント組成物及びこれを用いたセメント質硬化体の製造方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－２４９７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

造形材料として水硬性を有するセメントスラリーを使用し、付加製造装置で立体造形物を製作するには以下の課題がある。すなわち、セメント硬化体からなる立体造形物は、付加製造装置のノズルから吐出されたセメントスラリーが順次積層されて構築されていく。このため、設計通りの立体造形物を製作するには、吐出後のセメントスラリーが短時間のうちに硬化して新たに積層されるセメントスラリーの重みで潰れない強度に至ることが求められる。他方、短時間で硬化するセメントスラリーを施工現場でその都度調製して使用するのでは施工現場の負担が大きく、当該技術の普及を阻害する。

【0005】

本開示は、上記課題に鑑みてなされたものであり、施工現場に過度な負担を強いることなく、設計通りの立体造形物を製作するのに有用なセメントスラリーの吐出装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一側面に係る吐出装置は、水硬性を有するセメントスラリーを吐出するためのものであり、装置本体部と、装置本体部に対して着脱自在に設けられており、セメント、水及び無機酸を含むセメント含有液を収容する第一の容器と、装置本体部に対して着脱自在に設けられており、イオン性エマルション型増粘剤を含むアルカリ溶液を収容する第二の容器と、セメント含有液とアルカリ溶液とを混合してセメントスラリーを得る混合器と、第一の容器内のセメント含有液を混合器に移送する第一の移送手段と、第二の容器内のアルカリ溶液を混合器に移送する第二の移送手段と、混合器からのセメントスラリーを吐出する吐出口とを備える。

【0007】

上記吐出装置によれば、第一及び第二の容器にセメント含有液及びアルカリ溶液が別々に収容されている状態においては、セメントの水和反応は進行せず、両者が混合器で混合されることでセメントの水和反応を進行させることができる。このため、立体造形物のサイズ及び積層方法等に応じて水和反応によるセメントの硬化速度を適宜設定しやすく、十分に設計通りの立体造形物を製作することができる。また、第一及び第二の容器が装置本体部に対して着脱自在に設けられているため、施工現場の負担を十分に低減できる。例えば、設備が整った製造工場でセメント含有液又はアルカリ溶液を調製し、これを収容した容器を施工現場に配送すれば、残量が少なくなった容器との交換作業を容易に行うことができる。

【0008】

本発明者らの評価によると、種々の増粘剤のうち、イオン性エマルション型増粘剤を採用することが優れた送液性を達成するのに有用であり且つイオン性エマルション型増粘剤をアルカリ溶液に配合することが送液性及び積層性を両立するのに有用である。具体的には、本開示によれば、立体造形物を形成すべき場所にセメント含有液及びアルカリ溶液をチューブやパイプで移送する場合でも圧力損失を十分に小さくすることができる。また、立体造形物を製造するための積層工程の直前にこれらの液を混合することで、アルカリ溶液に含まれるイオン性エマルション型増粘剤の作用及びセメントの水和反応の進行によって十分に設計通りの立体造形物を製作することができる。

【0009】

セメント含有液の粘度は、温度２０℃及びせん断速度１０ｓ^－１の条件で測定されるセメント含有液の粘度は、例えば１．０×１０^２～１．２×１０^５ｍＰａ・ｓであり、温度２０℃及びせん断速度０．１ｓ^－１の条件で測定されるセメント含有液の粘度は、例えば１．０×１０^３～５．０×１０^６ｍＰａ・ｓである。

【0010】

第一の容器及び第二の容器の容量は、これらの容器が収容するセメント含有液及びアルカリ溶液の使用量に応じて適宜設定すればよく、第一の容器の容量を１００体積部とすると、第二の容器の容量は、例えば１～４０体積部である。

【0011】

第一及び第二の移送手段の構成は、吐出装置の規模（例えば、単位時間あたりの吐出量）に応じて適したものを採用すればよい。吐出装置が比較的大規模（例えば、第一の容器の容量：１～１０００Ｌ）である場合、第一及び第二の移送手段はポンプを含んだ構成とすることができる。すなわち、第一の移送手段は、第一の容器から混合器に至る第一の流路と、第一の流路の途中に設けられた第一のポンプとを含み、第二の移送手段は、第二の容器から混合器に至る第二の流路と、第二の流路の途中に設けられた第二のポンプとを含む構成とすることができる。他方、吐出装置が比較的小規模（例えば、第一の容器の容量：０．０１～１Ｌ）である場合、第一及び第二の移送手段はピストンを含んだ構成とすることができる。すなわち、第一の移送手段は、第一の容器の内面に対して摺動する第一のピストンと、第一のピストンによって第一の容器から押し出されたセメント含有液を混合器に移送する第一の流路とを含み、第二の移送手段は、第二の容器の内面に対して摺動する第二のピストンと、第二のピストンによって第二の容器から押し出されたアルカリ溶液を混合器に移送する第二の流路とを含む構成とすることができる。

【0012】

上記吐出装置は吐出口を水平方向及び上下方向に移動させる駆動機構を更に備えてよい。かかる構成を採用することにより、当該吐出装置を付加製造装置（３Ｄプリンタ）として使用することができ、セメント硬化体からなる立体造形物を製作可能である。

【発明の効果】

【0013】

本開示によれば、施工現場に過度な負担を強いることなく、設計通りの立体造形物を製作するのに有用なセメントスラリーの吐出装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本開示に係る吐出装置の第一実施形態を模式的に示す正面図である。

【図2】図２は、本開示に係る吐出装置の第二実施形態を模式的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本開示の複数の実施形態について説明する。なお、同一の構成要素については便宜上の理由がない限り同一の符号を付け、重複する説明は省略する。

【0016】

＜第一実施形態＞
図１は第一実施形態に係る吐出装置を模式的に示す正面図である。この図に示す吐出装置１０は、水硬性を有するセメントスラリーを吐出するためのものである。吐出装置１０は、比較的大規模のものであり、セメントスラリーの単位時間あたりの吐出量が、例えば、０．３～１０Ｌ／分程度である。

【0017】

吐出装置１０は、セメント含有液を収容する第一の容器１と、アルカリ溶液を収容する第二の容器２と、セメント含有液とアルカリ溶液とを混合する混合器３と、セメントスラリーを移送するホース５と、ホース５の先端に設けられたノズル７とを備える。混合器３においてセメント含有液とアルカリ溶液が混合されることによってセメントスラリーが調製され、セメントスラリーがノズル７から吐出されるように構成されている。以下、吐出装置１０の各構成について説明する。

【0018】

第一の容器１は、セメント含有液を収容している。第一の容器１は、装置本体部８に支持されているとともに、フレーム８ａに対して着脱自在に設けられている。このため、設備が整った製造工場でセメント含有液を調製し、これを収容した別の第一の容器１を施工現場に配送することで、残りが少なくなった第一の容器１との交換作業を容易に行うことができる。第一の容器１は、下部に開閉バルブ１ｖを有し、開閉バルブ１ｖにホース１ａが接続されている。

【0019】

第二の容器２は、アルカリ溶液を収容している。第二の容器２は、装置本体部８に支持されているとともに、フレーム８ｂに対して着脱自在に設けられている。このため、設備が整った製造工場でアルカリ溶液を調製し、これを収容した別の第二の容器２を施工現場に配送することで、残りが少なくなった第二の容器にとの交換作業を容易に行うことができる。第二の容器２は、下部に開閉バルブ２ｖを有し、開閉バルブ２ｖにホース２ａが接続されている。

【0020】

第一の容器１及び第二の容器２の容量は、これらの容器が収容するセメント含有液及びアルカリ溶液の使用量に応じて適宜設定すればよい。セメントスラリーの調製に使用するセメント含有液の量を１００体積部とすると、アルカリ溶液の使用量は、例えば、１～４０体積部程度であるから、第二の容器２の容量は第一の容器１の容量よりも十分に小さくてよい。すなわち、第一の容器１の容量を１００体積部とすると、第二の容器２の容量は、例えば、１～４０体積部であればよく、下限値は１．２体積部又は１．４体積部であってよく、上限値は３８体積部又は３７体積部であってよい。第一の容器１の容量は、例えば１～１０００Ｌであり、下限値は２Ｌ又は４Ｌであってよく、上限値は９００Ｌ又は８００Ｌであってよい。第二の容器２の容量は、例えば０．０１～４００Ｌ以上であり、下限値は０．０１２Ｌ又は０．０１５Ｌであってよく、上限値は３８０Ｌ又は３７０Ｌであってよい。

【0021】

吐出装置１０は、第一の容器１から混合器３にセメント含有液を移送する第一の移送手段と、第二の容器２から混合器３にアルカリ溶液を移送する第二の移送手段とを備える。本実施形態において第一の移送手段は、第一の容器１から混合器３に繋がっているホース１ａ（第一の流路）と、ホース１ａの途中に設けられた第一のポンプ１ｂとによっては構成されている。本実施形態において第二の移送手段は、第二の容器２から混合器３に繋がっているホース２ａ（第二の流路）と、ホース２ａの途中に設けられた第二のポンプ２ｂとによっては構成されている。

【0022】

第一のポンプ１ｂは、セメント含有液の粘度、セメント含有液の送液速度、セメント含有液による圧力損失等により適宜選択することができ、例えば、スネークポンプ、スクイズポンプ、ブランジャーポンプ等であってよい。第一のポンプ１ｂは、セメント含有液（粉及び粒子を含む液）を対象とするものであるため、スネークポンプ又はスクイズポンプを採用することが好ましい。第二のポンプ２ｂは、アルカリ溶液の粘度、アルカリ溶液の送液速度、アルカリ溶液による圧力損失等により適宜選択することができ、例えば、スネークポンプ、スクイズポンプ、ブランジャーポンプ等であってよい。

【0023】

混合器３は、セメント含有液とアルカリ溶液とを別々の入口から受け入れる前室３ａと、前室３ａの下流側に設けられたスタティックミキサー３ｂとによって構成されている。スタティックミキサー３ｂは動力が不要であり、省エネルギーの効果がある。なお、混合器３は、セメント含有液とアルカリ溶液を十分均一に混合できるものであればよく、例えば、セメント含有液とアルカリ溶液を収容するタンクと、タンク内の液体を撹拌するプロペラとによって構成されるものであってもよい。

【0024】

ホース５は、混合器３からのセメントスラリーをノズル７まで移送するためのものである。ホース５内におけるセメントスラリーの流れはポンプ１ｂ，２ｂの吐出圧力によるものである。なお、ポンプ１ｂ，２ｂの吐出圧力が不足する場合はホース５の途中にポンプ（例えば、スクイズポンプ）を配置すればよい。

【0025】

ノズル７は、セメントスラリーを吐出するためのものである。ノズル７からセメントスラリーを吐出させながら、ノズル７を水平方向及び上下方向に移動させることによってセメント硬化体からなる立体造形物を製作することができる。ノズル７の吐出口７ａの形状は、セメントスラリーの粘度及び吐出速度、並びに、立体造形物の態様等により適宜設定すればよい。なお、吐出装置１０は、ノズル７を水平方向及び上下方向に移動させる駆動機構（不図示）を更に備えてよい。かかる構成を採用することにより、吐出装置１０を付加製造装置（３Ｄプリンタ）として使用することができる。

【0026】

本実施形態の吐出装置１０によれば、セメント含有液及びアルカリ溶液が別々の容器に収容されている状態においては、セメントの水和反応は進行せず、両者が混合器３で混合されることでセメントの水和反応を進行させることができる。このため、立体造形物のサイズ及び積層方法等に応じて水和反応によるセメントの硬化速度を適宜設定しやすく、十分に設計通りの立体造形物を製作することができる。以下、セメント含有液、アルカリ溶液及びセメントスラリーについて説明する。

【0027】

（セメント含有液）
セメント含有液は、セメント、水及び無機酸を含む。セメント含有液は、アルカリ溶液が混合されることによって水硬性を有するセメントスラリーとなる。

【0028】

セメントは特に限定されないが、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカフュームセメント、アルミナセメント等であってよい。セメントは、一種を単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。

【0029】

セメントの少なくとも一部として、アルミナセメントを用いることが好ましい。アルミナセメントは特に限定されないが、アルミナ含有量が比較的高いものを用いるとよく、例えばアルミナ高含有アルミナセメント、アルミナ中含有アルミナセメントを用いることができる。アルミナ高含有アルミナセメントはアルミナ含有量がアルミナセメントの総質量の６０質量％以上であり、アルミナ中含有アルミナセメントはアルミナ含有量が４５質量％～６０質量％である。

【0030】

水は特に限定されないが、例えば、水道水、蒸留水、脱イオン水等を使用することができる。水の含有量は、セメント１００質量部に対して好ましくは２０～１００質量部、より好ましくは２５～９０質量部、更に好ましくは３０～８０質量部である。

【0031】

無機酸は、メタリン酸、亜リン酸、リン酸、又はホスホン酸を含むことが好ましい。メタリン酸、亜リン酸、リン酸、又はホスホン酸を含む無機酸としては、例えば、五酸化二リン、二リン酸、三リン酸、アミノトリメチレンホスホン酸、２－アミノエチルホスホン酸、１－ヒドロキシエチリデン－１，１－ジホスホン酸、エチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸、テトラメチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸、ヘキサメチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸、ジエチレントリアミンペンタメチレンホスホン酸、ホスホノブタントリカルボン酸、Ｎ－（ホスホノメチル）イミノ二酢酸、２－カルボキシエチルホスホン酸、２－ヒドロキシホスホノカルボン酸等であってよい。無機酸は、一種を単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。無機酸の含有量は、セメント１００質量部に対して好ましくは０．１～２０質量部、より好ましくは０．１～１５質量部、更に好ましくは０．１～１０質量部、特に好ましくは０．３～１０質量部である。

【0032】

セメント含有液は、セメント、水、及び無機酸以外に、増粘剤、骨材、インク、顔料、分散剤、凝結調整剤、膨張材、収縮低減剤、石膏、消泡剤、短繊維等を含有してもよい。

【0033】

増粘剤は、キサンタンガム、ダイユータンガム、スターチエーテル、グアガム、ポリアクリルアミド、カラギーナンガム、寒天、粘土鉱物系のベントナイトを含むことが好ましい。増粘剤は、一種を単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。また上述の増粘剤に、セルロース系、蛋白質系、ラテックス系、水溶性ポリマー系増粘剤を組み合わせて用いることができる。

【0034】

骨材は、細骨材、粗骨材等を使用できる。細骨材は特に限定されず、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂、硬質高炉スラグ細骨材、高炉スラグ細骨材、銅スラグ細骨材、電気炉酸化スラグ細骨材等を使用することができる。粗骨材は特に限定されず、砂利、砕石、高炉スラグ粗骨材、電気炉酸化スラグ粗骨材等を使用できる。なお、ＪＩＳ Ａ ０２０３：２０１４「コンクリート用語」に規定されるように、細骨材とは１０ｍｍ網ふるいを全部通り、５ｍｍ網ふるいを質量で８５％以上通る骨材であり、粗骨材とは５ｍｍ網ふるいに質量で８５％以上とどまる骨材である。セメント含有液が骨材として細骨材のみを含む場合、セメント含有液の骨材の含有量は、セメントと骨材との質量の合計を基準として、例えば７０質量％以下であり、６５質量％以下又は６０質量％以下であってよい。セメント含有液が骨材として細骨材及び粗骨材を含む場合、セメント含有液の骨材の含有量は、セメントと骨材との質量の合計を基準として、例えば９０質量％以下であり、８７質量％以下又は８５質量％以下であってよい。また、前記骨材における細骨材の含有割合は、好ましくは２０～８０質量％、より好ましくは３０～７０質量％、更に好ましくは４０～５５質量％である。

【0035】

骨材を含むセメント含有液とアルカリ溶液の混合物である水硬性組成物は、例えば水硬性モルタルである。セメント含有液が骨材を含む場合、流動性確保の面からモルタルフローは０打フローで１０５ｍｍ以上であることが好ましく、更に好ましくは１０７ｍｍ以上である。水硬性モルタルのモルタルフローは０打フローで１０３ｍｍ以下であることが好ましく、更に好ましくは１０２ｍｍ以下である。

【0036】

セメント含有液の粘度は、送液時の良好な流動性を達成する観点から、温度２０℃及びせん断速度１０ｓ^－１の条件で、例えば、１．０×１０^２～１．２×１０^５ｍＰａ・ｓであることが好ましい。温度２０℃及びせん断速度０．１ｓ^－１の条件で測定されるセメント含有液の粘度は、例えば、１．０×１０^３～５．０×１０^６ｍＰａ・ｓであってよい。セメント含有液の粘度は、例えば、水セメント比や増粘剤の配合量を調節することで調整することができる。

【0037】

（アルカリ溶液）
アルカリ溶液は、アルカリ源とイオン性エマルション型増粘剤とを含む。アルカリ溶液は、ｐＨが７より大きく１４以下の溶液であれば特に限定されないが、ｐＨが９以上１４以下の溶液であることが好ましい。アルカリ溶液としては、例えば、水酸化ナトリウム、アミン、アルカノールアミン、オルトケイ酸ナトリウム、水酸化リチウム、アミノメチルプロパノール、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、アルミン酸ナトリウム等を含む溶液であってよい。

【0038】

イオン性エマルション型増粘剤は、イオン性（アニオン性又はカチオン性）であり且つエマルション型の増粘剤である。イオン性増粘剤としてはアクリル酸系金属塩ポリマー、メタクリル酸系金属塩ポリマー、第四級アンモニウム塩系ポリマー、アクリルアミド系ポリマー、アクリル酸系四級アンモニウム塩ポリマー、メタクリル酸系四級アンモニウム塩ポリマーカルボン酸系ポリマーを例示することができる。エマルションはこれらの高分子が乳化した状態であり、使用時にアルカリ溶液に添加することで可溶化される。増粘剤がエマルション型であることにより、アルカリ溶液に増粘剤を大量に添加した場合でもアルカリ溶液の流動性を確保することができる。

【0039】

増粘剤を添加したアルカリ溶液と、セメント含有液が混合されると、急激に粘度が上昇するため、吐出されたセメントスラリーは積層性に優れる。イオン性の増粘剤が積層性の向上に有効である理由は明らかではないが、スラリー中のカルシウムイオンとのキレートの形成や分子会合などによると本発明者は推測している。

【0040】

アルカリ溶液の粘度は特に限定されず、例えば、温度２０℃及びせん断速度１０ｓ^－１の条件で測定されるアルカリ溶液液の粘度は、例えば、２．０×１０^２～２．０×１０^４ｍＰａ・ｓであり、下限値は２．５×１０^２ｍＰａ・ｓ又は３．０×１０^２ｍＰａ・ｓであってよく、上限値は１．８×１０^４ｍＰａ・ｓ又は１．９×１０^４ｍＰａ・ｓであってよい。

【0041】

（セメントスラリー）
混合器３から吐出されるセメントスラリーの可使時間は、セメント含有液及びアルカリ溶液の水セメント比、アルカリ溶液の溶質量、溶質の種類、石膏量、無機酸の濃度等を変えることにより、調整することができる。上記可使時間は、例えば、１０秒～３００分であり、下限値は２０秒又は３０秒であってよく、上限値は２５０分又は２００分であってよい。

【0042】

セメントスラリーは、セメント含有液及びアルカリ溶液以外に、着色成分を含んでいてもよい。着色成分としては、ペンキ、顔料等が挙げられる。着色成分は、セメントスラリーを得るまでの任意の工程で投入すればよく、例えば、セメント含有液又はアルカリ溶液に含有していてもよく、混合器３に直接投入してもよい。なお、十分に均一に着色されたセメントスラリーを混合器３で調製する観点から、アルカリ溶液と比較して使用量の多いセメント含有液に着色成分が予め含まれていることが好ましい。

【0043】

＜第二実施形態＞
図２は第二実施形態に係る吐出装置を模式的に示す断面図である。この図に示す吐出装置２０は、第一実施形態に係る吐出装置１０よりも小規模のものであり、セメントスラリーの単位時間あたりの吐出量が、例えば、０．０１～１Ｌ／分程度である。

【0044】

吐出装置２０は、セメント含有液を収容する第一の容器１１と、アルカリ溶液を収容する第二の容器１２と、セメント含有液とアルカリ溶液とを混合する混合器１３と、混合器１３の出口に設けられたノズル１７とを備える。混合器１３においてセメント含有液とアルカリ溶液が混合されることによってセメントスラリーが調製され、セメントスラリーがノズル１７から吐出されるように構成されている。吐出装置２０は、第一の容器１１及び第二の容器１２が着脱自在に設けられている装置本体部１８を有し、装置本体部１８が駆動機構（不図示）によって水平方向及び上下方向に移動する。吐出装置２０は、混合器１３とノズル１７とを繋ぐホースが必要ないため、材料のロスを十分に削減できるという利点がある。

【0045】

以下、吐出装置２０の構成について、吐出装置１０と相違する点について主に説明する。

【0046】

第一の容器１１の容量は、例えば０．０１～１Ｌ以上であり、下限値は０．０２Ｌ又は０．０４Ｌであってよく、上限値は０．９Ｌ又は０．８Ｌであってよい。第二の容器１２の容量は、例えば０．００１～０．４Ｌ以上であり、下限値は０．００１２Ｌ又は０．００１５Ｌであってよく、上限値は０．３８Ｌ又は０．３７Ｌであってよい。

【0047】

吐出装置２０は、第一の容器１１から混合器１３にセメント含有液を移送する第一の移送手段と、第二の容器１２から混合器１３にアルカリ溶液を移送する第二の移送手段とを備える。本実施形態において第一の移送手段は、第一の容器１１の内面に対して摺動する第一のピストン１１ａと、第一のピストン１１ａによって第一の容器１１から押し出されたセメント含有液を混合器１３に移送するホース１１ｂ（第一の流路）とによって構成されている。本実施形態において第二の移送手段は、第二の容器１２の内面に対して摺動する第二のピストン１２ａと、第二のピストン１２ａによって第二の容器１２から押し出されたアルカリ溶液を混合器１３に移送するホース１２ｂ（第二の流路）とによって構成されている。

【0048】

第一のピストン１１ａは、手動、電動、油圧、エア式（ブランジャ）等の動力によって駆動し、セメント含有液の混合器３への移送量を調節できるように構成されている。第二のピストン１２ａは、手動、電動、油圧、エア式（ブランジャ）等の動力によって駆動し、アルカリ溶液の混合器１３への移送量を調節できるように構成されている。なお、第一のピストン１１ａ及び第二のピストン１２ａは、一軸で構成（シャフト１１ｃとシャフト１２ｃが一体的に形成）されていてもよく、二軸で構成（シャフト１１ｃとシャフト１２ｃが互いに独立して形成）されていてもよい。一軸で構成されている場合、第一のピストン１１ａ及び第二のピストン１２ａの移動距離が同じであるから、容器１１，１２の断面積によって二つの液の配合比率が決まる。他方、二軸で構成されている場合、両者を独立に制御することで、二つの液の配合比率を任意に設定することができる。

【0049】

セメント含有液、アルカリ溶液及びこれらを混合して調製されるセメントスラリーの評価試験を以下のとおり実施した。

【0050】

＜せん断粘度の測定方法＞
材料及び試料のせん断粘度を以下のようにして測定した。すなわち、Ａｎｔｏｎ Ｐａａｒ社製レオメーターＲｅｏｌａｂＱＣに共軸二重円筒治具ＣＣ２７及び羽根型測定治具ＳＴ１４－４Ｖ－３５を取り付けた。温度２０℃、せん断速度０．１ｓ^－１及び１０ｓ^－１の条件下でそれぞれ１８０秒測定した。なお、測定には、練り混ぜ後３分経過した試料を用いた。なお、表中で“Ｍ－”と表記したものに関しては、粘度が低いために、装置のトルク検出限界以下であったことを示す。

【0051】

＜流動性及び積層性評価＞
練り混ぜ後３分経過した試料を円筒カップに入れ、１３５°傾けて１０秒保持した。
（流動性の評価基準）
〇：1３５°傾けた状態で流れた。
×：1３５°傾けた状態で流れなかった。
（積層性の評価基準）
〇：1３５°傾けた状態で流れなかった。
×：1３５°傾けた状態で流れた。

【0052】

＜フロー試験＞
「ＪＩＳ Ｒ ５２０１：セメントの物理試験方法」に準拠してフロー試験を実施した。なお、試料は練り混ぜ後３分経過したものを用い、フロー値はフローコーンを取り除いた直後の状態におけるフロー値ＭＦ_０（０打時のフロー）と、１５打後のフロー値ＭＦ_１５を測定した。なお、フローコーンの底面の直径はφ１００ｍｍである。

【0053】

＜使用材料＞
以下の材料を準備した。
・水硬性結合材：アルミナ高含有アルミナセメント（Ａｌ_２Ｏ_３：６８．７％）及び半水石膏（アルミナセメント：半水石膏＝７０：３０）
・無機酸：リン酸（濃度：８５ｗｔ％）
・セメント含有液Ａ０：上記水硬性結合材１００質量部に対して水５１．２質量部及び上記無機酸１．６質量部を配合したもの（ＭＦ_０：２０３ｍｍ）
・アルカリ溶液Ｂ０：ＮａＯＨ水溶液（濃度：３ｍｏｌ／Ｌ）
・増粘剤Ｃ：アクリル酸系ポリマー／アニオン性／エマルション（温度２０℃及びせん断速度１０ｓ^－１の条件で測定される固形分３５％の製品の粘度２．６９×１０^２ｍＰａ・ｓ）
・増粘剤Ｄ：メタクリレート４級アンモニウム塩ポリマー／カチオン性／エマルション（温度２０℃及びせん断速度１０ｓ^－１の条件で測定される固形分３５％の製品の粘度５．２０×１０^１ｍＰａ・ｓ）
・増粘剤Ｅ：４級アンモニウム塩系ポリマー／カチオン性／エマルション（温度２０℃及びせん断速度１０ｓ^－１の条件で測定される固形分４０％の製品の粘度１．０３×１０^３ｍＰａ・ｓ）
・増粘剤Ｆ：アクリルアミド系ポリマー／ノニオン性／エマルション（温度２０℃及びせん断速度１０ｓ^－１の条件で測定される固形分３５％の製品の粘度６．６８×１０^２ｍＰａ・ｓ）
・増粘剤Ｇ：ダイユータンガム／アニオン性／粉末
・増粘剤Ｈ：セルロース系／ノニオン性／粉末
・砂：鹿島６号珪砂（高野商事株式会社製）

【0054】

表１に各材料のせん断粘度及び評価結果を示す。なお、増粘剤Ｇ，Ｈは粉末のため、せん断粘度の測定、並びに流動性及び積層性の評価ができなかった。

【0055】

【表1】

【0056】

（セメント含有液Ａ１の調製）
セメント含有液Ａ０（１００質量部）及び増粘剤Ｃ（０．７１質量部）をプラスチック製容器に入れ、スリーワンモーター（撹拌翼：ディスクタービン型）を用いて回転数１２００ｒｐｍで２０秒間練り混ぜた。これによりセメント含有液Ａ１（ペースト）を得た。表２にセメント含有液Ａ１のせん断粘度及び評価結果を示す。セメント含有液Ａ１のフロー値ＭＦ_０は１０２ｍｍであり、ＭＦ_１５は１２１ｍｍであった。流動性評価とフロー値より、セメント含有液Ａ０に増粘剤Ｃを入れたセメント含有液Ａ１は流動性が不十分であることが分かった。

【0057】

（セメント含有液Ａ２～Ａ６の調製）
増粘剤Ｃの代わりに、増粘剤Ｄ～Ｈをそれぞれ使用したことの他は、セメント含有液Ａ１と同様にして、セメント含有液Ａ２～Ａ６を調製した。表２にセメント含有液Ａ１～Ａ６のせん断粘度及び評価結果を示す。

【0058】

【表2】

【0059】

（セメント含有液Ａ７の調製）
セメント含有液Ａ０（１００質量部）及び砂（セメント含有液Ａ０に含まれる水硬性結合材と同じ質量）をプラスチック製容器に入れ、スリーワンモーター（撹拌翼：ディスクタービン型）を用いて、回転数１２００ｒｐｍで１分間練り混ぜた。これによりセメント含有液Ａ７（モルタル、水／結合材＝０．５１、砂／結合材＝１．０）を得た。表３にセメント含有液Ａ７のせん断粘度及び評価結果を示す。セメント含有液Ａ７のフロー値ＭＦ_０は１６３ｍｍであり、ＭＦ_１５は１８６ｍｍであった。フロー値から流動性が高いことが分かった。

【0060】

（セメント含有液Ａ８の調製）
砂の量を１．５倍に増やしたことの他は、セメント含有液Ａ７と同様にしてセメント含有液Ａ８を調製した。すなわち、セメント含有液Ａ８の水／結合材は０．５１とし、砂／結合材は１．５とした。表３にセメント含有液Ａ８の評価結果を示す。セメント含有液Ａ８の流動性評価は○であった。セメント含有液Ａ８のフロー値ＭＦ_０は１１５ｍｍであり、ＭＦ_１５は１５０ｍｍであった。

【0061】

（セメント含有液Ａ９の調製）
水及び砂の量を変更したことの他は、セメント含有液Ａ７と同様にしてセメント含有液Ａ８を調製した。すなわち、セメント含有液Ａ９の水／結合材は０．６とし、砂／結合材は２．０とした。表３にセメント含有液Ａ９の評価結果を示す。セメント含有液Ａ９の流動性評価は○であった。セメント含有液Ａ９のフロー値ＭＦ_０は１０７ｍｍであった。

【0062】

（セメント含有液Ａ１０の調製）
セメント含有液Ａ７（１００質量部）に増粘剤Ｃを０．７１質量部加え、スリーワンモーター（撹拌翼：ディスクタービン型）を用いて、回転数１２００ｒｐｍで２０秒間練り混ぜた。これによりセメント含有液Ａ１０（水／結合材＝０．５１、砂／結合材＝１．０）を得た。表３にセメント含有液Ａ１０のせん断粘度及び評価結果を示す。セメント含有液Ａ１０のフロー値ＭＦ_０は１００ｍｍであり、ＭＦ_１５は１１２ｍｍであった。セメント含有液Ａ１０の流動性評価は×であった。

【0063】

【表3】

【0064】

（アルカリ溶液Ｂ１の調製）
１００ｍＬ容積のガラス製スクリュー管に、アルカリ溶液Ｂ０（１００質量部）及び増粘剤Ｃ（１１．６質量部）を入れた後、蓋をして手で振り混ぜた。試料を安定させるため、そのまま２４時間静置した。表４にアルカリ溶液Ｂ１のせん断粘度及び評価結果を示す。

【0065】

（アルカリ溶液Ｂ２～Ｂ４の調製）
増粘剤Ｃの代わりに、増粘剤Ｄ～Ｆをそれぞれ使用したことの他は、アルカリ溶液Ｂ１と同様にして、アルカリ溶液Ｂ２～Ｂ４を調製した。表４にアルカリ溶液Ｂ２～Ｂ４のせん断粘度及び評価結果を示す。

【0066】

（アルカリ溶液Ｂ５）
アルカリ溶液Ｂ０（１００質量部）をプラスチック製容器に入れ、スリーワンモーター（撹拌翼：ディスクタービン型）を用いて回転数１２００ｒｐｍで撹拌しながら、増粘剤Ｇ（１１．６質量部）をダマにならないように加えた。増粘剤Ｇを全量加えた後に、回転数１２００ｒｐｍで更に１分間練り混ぜた。試料を安定させるため、水が蒸発しないように蓋をし、そのまま２４時間静置した。表４にアルカリ溶液Ｂ５のせん断粘度及び評価結果を示す。

【0067】

（アルカリ溶液Ｂ６）
増粘剤Ｇの代わりに、増粘剤Ｈを使用したことの他は、アルカリ溶液Ｂ５と同様にして、アルカリ溶液Ｂ６を調製した。表４にアルカリ溶液Ｂ６のせん断粘度及び評価結果を示す。

【0068】

【表4】

【0069】

［試験例１］
セメント含有液Ａ０（１００質量部）を収容しているプラスチック製容器にアルカリ溶液Ｂ１（６．８３質量部）を加え、スリーワンモーター（撹拌翼：ディスクタービン型）を用いて、回転数１２００ｒｐｍで２０秒間練り混ぜた。これにより、水硬性ペーストＰ１を得た。表５に水硬性ペーストＰ１のせん断粘度及び評価結果を示す。水硬性ペーストＰ１のフロー値ＭＦ_０は１００ｍｍであり、ＭＦ_１５は１２６ｍｍであった。

【0070】

以上を整理すると、セメント含有液Ａ０と、アルカリ溶液Ｂ１はそれぞれ流動性が○であり、これらを混合した水硬性ペーストＰ１の積層性が○で、フロー値ＭＦ_０が１００ｍｍであることから、積層造形プロセスにおいて送液性と積層性との両立が可能である。

【0071】

［試験例２］
アルカリ溶液Ｂ１の代わりに、アルカリ溶液Ｂ２を使用したことの他は、試験例１と同様にして水硬性ペーストＰ２を得た。表５に水硬性ペーストＰ２のせん断粘度及び評価結果を示す。水硬性ペーストＰ２も積層造形プロセスにおいて送液性と積層性との両立が可能である。

【0072】

［試験例３］
アルカリ溶液Ｂ１の代わりに、アルカリ溶液Ｂ３を使用したことの他は、試験例１と同様にして水硬性ペーストＰ３を得た。表５に水硬性ペーストＰ３のせん断粘度及び評価結果を示す。水硬性ペーストＰ３も積層造形プロセスにおいて送液性と積層性との両立が可能である。

【0073】

［比較例１］
セメント含有液Ａ０（１００質量部）を収容しているプラスチック製容器にアルカリ溶液Ｂ０（６．１１質量部）を加え、スリーワンモーター（撹拌翼：ディスクタービン型）を用いて、回転数１２００ｒｐｍで２０秒間練り混ぜた。これにより、水硬性ペーストＰ４を得た。表５に水硬性ペーストＰ４のせん断粘度及び評価結果を示す。セメント含有液Ａ０及びアルカリ溶液Ｂ０はいずれも流動性が○であるが、混合した後の水硬性ペーストの積層性が×であることから、送液性と積層性の両立は困難である。

【0074】

［比較例２］
セメント含有液Ａ０の代わりに、セメント含有液Ａ４を使用したことの他は、比較例１と同様にして水硬性ペーストＰ５を得た。表５に水硬性ペーストＰ５のせん断粘度及び評価結果を示す。セメント含有液Ａ４及びアルカリ溶液Ｂ０はいずれも流動性が○であるが、混合した後の水硬性ペーストの積層性が×であることから、送液性と積層性の両立は困難である。

【0075】

【表5】

【0076】

［試験例４］
セメント含有液Ａ７（１００質量部）を収容しているプラスチック製容器にアルカリ溶液Ｂ１（４．１６質量部）を加え、スリーワンモーター（撹拌翼：ディスクタービン型）を用いて、回転数１２００ｒｐｍで２０秒間練り混ぜた。これにより、水硬性モルタルＭ１を得た。表６に水硬性モルタルＭ１のせん断粘度及び評価結果を示す。表６に示された結果から、水硬性モルタルＭ１は積層造形プロセスにおいて送液性と積層性との両立が可能である。

【0077】

［試験例５］
セメント含有液Ａ７の代わりに、セメント含有液Ａ８を使用したことの他は、試験例４と同様にして水硬性モルタルＭ２を得た。表６に水硬性モルタルＭ２の評価結果を示す。水硬性モルタルＭ２も積層造形プロセスにおいて送液性と積層性との両立が可能である。

【0078】

［試験例６］
セメント含有液Ａ７の代わりに、セメント含有液Ａ９を使用したことの他は、試験例４と同様にして水硬性モルタルＭ３を得た。表６に水硬性モルタルＭ３の評価結果を示す。水硬性モルタルＭ３も積層造形プロセスにおいて送液性と積層性との両立が可能である。

【0079】

【表6】

【符号の説明】

【0080】

１，１１…第一の容器、１ａ，１１ｂ…ホース（第一の流路）、１ｂ…第一のポンプ、２，１２…第二の容器、２ａ，１２ｂ…ホース（第二の流路）、２ｂ…第二のポンプ、３，１３…混合器、３ａ…前室、３ｂ…スタティックミキサー、５…ホース、７，１７…ノズル、７ａ…吐出口、８，１８…装置本体部、１１ａ…第一のピストン、１２ａ…第二のピストン

【図1】

【図2】